曾偉,宋永平,高殿朋,趙曉東
(凱龍高科技股份有限公司,江蘇無(wú)錫 214153)
目前,為滿(mǎn)足國(guó)六和非道路國(guó)四排放法規(guī)要求,大部分廠商選擇DOC+DPF+SCR的尾氣后處理技術(shù)路線。SCR系統(tǒng)通過(guò)選擇性催化還原反應(yīng)消除尾氣中的有害氣體NOx。尿素噴嘴作為SCR后處理噴射系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件,通過(guò)電磁閥的開(kāi)啟、關(guān)閉精確計(jì)量噴入排氣管中的尿素溶液,并參數(shù)霧化。
國(guó)六排放法規(guī)對(duì)尿素噴射系統(tǒng)的流量控制精度提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射時(shí)刻、噴射頻率和噴射脈寬等的靈活控制,滿(mǎn)足噴射流量一致性及穩(wěn)定性[1],有必要對(duì)尿素噴嘴電磁閥的特性進(jìn)行研究。電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是評(píng)估電磁閥性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素[2-3]。
本文作者基于模擬仿真軟件,計(jì)算分析了不同銜鐵氣隙、線圈匝數(shù)、電流等對(duì)靜態(tài)電磁力的影響;并分析了不同電壓、氣隙時(shí)電控尿素噴嘴的動(dòng)態(tài)開(kāi)啟時(shí)間。此外,還通過(guò)高速攝像機(jī)間接測(cè)量了噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間,對(duì)比分析了實(shí)測(cè)值與計(jì)算值,為電控尿素噴嘴電磁閥前期設(shè)計(jì)定型和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。
電控尿素噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖1所示。線圈通電后,電磁閥內(nèi)由外磁套、銜鐵、中心磁體、U形塊形成電磁回路,產(chǎn)生電磁力吸附銜鐵,使銜鐵克服彈簧預(yù)緊力,球閥打開(kāi)。尿素溶液經(jīng)進(jìn)油口、濾芯、噴嘴內(nèi)部流道、銜鐵、球閥,最后通過(guò)霧化器形成噴霧。電磁閥斷電后,彈簧預(yù)緊力和液壓力使球閥關(guān)閉,尿素噴嘴停止噴射。
圖1 電控尿素噴嘴結(jié)構(gòu)示意
不考慮線圈通電產(chǎn)生的溫升對(duì)線圈磁勢(shì)及導(dǎo)磁材料磁阻的影響,忽略導(dǎo)磁材料的磁滯效應(yīng),假定材料均勻性且各向同性[4]。采用直流螺線管電磁鐵,根據(jù)麥克斯韋電磁力公式計(jì)算穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電磁閥的吸力為
(1)
式中:φ為工作氣隙磁通,Wb;B為工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;S為磁路截面積,m2;μ0為真空磁導(dǎo)率,其值為4π×10-7Wb/A·m。
不考慮漏磁及其他連接部位的氣隙,主氣隙即為銜鐵行程,此時(shí)直流電磁鐵的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度B為
(2)
式中:N為線圈匝數(shù);I為電流強(qiáng)度,A;U為電源電壓,V;R為繞線電阻,Ω;δ為氣隙長(zhǎng)度,m。
將式(2)代入式(1)可得:
(3)
根據(jù)式(3)可見(jiàn),要提高電磁閥線圈的吸力,在電壓或電流不變的情況下,可通過(guò)提高線圈匝數(shù)或減小銜鐵行程實(shí)現(xiàn)。
電磁閥銜鐵運(yùn)動(dòng)方程為
(4)
其中:m為銜鐵的質(zhì)量。
電磁閥特性計(jì)算輸入?yún)?shù)如表1所示。
表1 電磁閥計(jì)算輸入?yún)?shù)
文中采用的磁性材料的磁化曲線如圖2所示。圖3給出了不同工況下尿素噴嘴銜鐵受到的電磁力。相同銜鐵氣隙時(shí),隨線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電流增加,電磁力逐漸增加。以氣隙100 μm、線圈350匝為例,驅(qū)動(dòng)電流由0.5 A增至1.5 A,電磁力由17.2 N增至20.1 N。此外,由圖3可見(jiàn)銜鐵氣隙的大小對(duì)電磁力影響較大。線圈350匝、電流1 A時(shí),氣隙由125 μm減小為100 μm,電磁力由10.6 N增至19.1 N,增加了約80%。
所以,在滿(mǎn)足尿素流動(dòng)特性要求時(shí),應(yīng)盡量減小銜鐵氣隙以提高電磁力,從而降低噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間,通常情況下尿素噴嘴的銜鐵氣隙設(shè)計(jì)為70~100 μm。
圖2 磁性材料的磁化曲線
電控尿素噴嘴的開(kāi)啟電磁力一般要大于3倍的彈簧預(yù)緊力,以確保噴嘴球閥能夠快速開(kāi)啟。文中彈簧預(yù)緊力為4.5 N,所以電磁力應(yīng)大于13.5 N。從圖3可見(jiàn),如果噴嘴的氣隙設(shè)計(jì)為125 μm時(shí),驅(qū)動(dòng)電流需大于1.5 A才能滿(mǎn)足要求。但較大的電流會(huì)使線圈產(chǎn)生大量的熱量,影響噴嘴的工作特性,因此需對(duì)磁路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)??赏ㄟ^(guò)增加線圈匝數(shù)、提高磁通截面、更換磁性材料、減小磁路漏磁等手段實(shí)現(xiàn)。
圖3 銜鐵受到的電磁力
電磁閥的磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布如圖4所示,可直觀地觀測(cè)整個(gè)磁路中的漏磁現(xiàn)象,以便進(jìn)行磁路優(yōu)化。
圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布
尿素噴嘴的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析,具體參數(shù)為:線圈電阻為12 Ω,驅(qū)動(dòng)電壓9~32 V,銜鐵氣隙100、150 μm,其他條件同第2.1節(jié)。圖5為不同驅(qū)動(dòng)壓力下噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間,可見(jiàn)隨著驅(qū)動(dòng)電壓增加,噴嘴開(kāi)啟時(shí)間逐漸降低。通常尿素噴嘴要求開(kāi)啟時(shí)間小于1.5 ms,以滿(mǎn)足噴嘴動(dòng)態(tài)小流量一致性要求。對(duì)于24 V系統(tǒng)而言,驅(qū)動(dòng)電壓一般為18~32 V,噴嘴可滿(mǎn)足開(kāi)啟響應(yīng)要求。驅(qū)動(dòng)電壓為32 V、氣隙100 μm時(shí),噴嘴開(kāi)啟時(shí)間僅為0.81 ms。
圖5 噴嘴開(kāi)啟時(shí)間
對(duì)于12 V系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)電壓一般為13.8 V,開(kāi)啟時(shí)間分別為1.62和1.81 ms,不能滿(mǎn)足要求,需要對(duì)磁路進(jìn)行優(yōu)化。以氣隙100 μm為例,要使開(kāi)啟時(shí)間小于1.5 ms,驅(qū)動(dòng)電壓需大于15 V,對(duì)應(yīng)的電流為1.25 A,所以12 V系統(tǒng)推薦采用Peak-Hold驅(qū)動(dòng)方式,Peak電流1.5 A,Hold電流0.5 A,可滿(mǎn)足使用要求。
圖6為氣隙100 μm、驅(qū)動(dòng)電壓16 V時(shí)的銜鐵運(yùn)動(dòng)曲線??梢?jiàn):當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈開(kāi)始通電時(shí),內(nèi)部電流逐漸增加,存在一定的開(kāi)啟延時(shí),延遲時(shí)間約為1 ms。這個(gè)延遲由線圈的電阻和電感的磁滯引起,與文獻(xiàn)[1]中得到的結(jié)論一致。1 ms后銜鐵開(kāi)始運(yùn)動(dòng),完全開(kāi)啟時(shí)間為1.42 ms。
圖6 銜鐵運(yùn)動(dòng)曲線
圖7為線圈電感和電磁力曲線,同樣電磁力存在一定的延遲,時(shí)間約為0.5 ms。
圖7 電感和電磁力
本文作者采用了兩種方法測(cè)量了噴嘴開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間,分別為高速攝像測(cè)量和電流曲線測(cè)量。
方法一:通過(guò)高速攝像機(jī)同步NI驅(qū)動(dòng)板卡間接測(cè)試噴嘴開(kāi)啟時(shí)間。由于銜鐵氣隙較小,假設(shè)噴嘴完全打開(kāi)時(shí)噴嘴開(kāi)始噴射。圖8為不同時(shí)刻噴霧圖像,t=0 ms時(shí)噴嘴通電,此時(shí)噴嘴關(guān)閉;t=1.5 ms時(shí)噴嘴開(kāi)始噴射,認(rèn)為此時(shí)噴嘴已全部打開(kāi);t=2 ms時(shí)噴霧還未完全形成;t=3 ms時(shí)噴霧形成完整的霧化形態(tài)。
圖8 不同時(shí)刻噴霧圖像
測(cè)試了10支噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間,噴射壓力550 kPa,采用Peak-Hold電流驅(qū)動(dòng),電流值分別為1.5、0.5 A。測(cè)試結(jié)果如圖9所示,開(kāi)啟時(shí)間范圍為1.39~1.52 ms,均值1.48 ms,滿(mǎn)足使用要求。
圖9 噴嘴開(kāi)啟時(shí)間
方法二:通過(guò)示波器測(cè)量噴嘴驅(qū)動(dòng)電流可間接測(cè)量噴嘴的開(kāi)啟時(shí)間。圖10為采用電流鉗測(cè)得的電壓波形,噴嘴開(kāi)啟時(shí)間為1.4 ms,與方法一相近。
本文作者基于商業(yè)仿真軟件,計(jì)算分析了線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電流、銜鐵氣隙對(duì)靜態(tài)電磁力的影響;線圈匝數(shù)、驅(qū)動(dòng)電流增加,電磁力增加;銜鐵氣隙對(duì)電磁力影響較大,氣隙由100 μm增至125 μm,電磁力降低了80%;隨著驅(qū)動(dòng)電壓增加,噴嘴動(dòng)態(tài)開(kāi)啟時(shí)間逐漸降低。驅(qū)動(dòng)電壓為32 V、氣隙100 μm時(shí),噴嘴開(kāi)啟時(shí)間僅為0.81 ms。此外,還通過(guò)高速攝像機(jī)接和示波器測(cè)試噴嘴開(kāi)啟時(shí)間,測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值基本相同,滿(mǎn)足使用要求。